區域農業旱災脆弱性評價及其影響因素

許 朗,張維誠

(1.南京農業大學經濟管理學院,江蘇 南京 210095; 2.南京農業大學中國糧食安全研究中心,江蘇 南京 210095)

干旱在農業經濟方面造成的影響主要是糧食及農牧業生產減產、農業病蟲害加大等[1]。隨著全球環境的變化,干旱災害呈現發生頻率高、持續時間長、影響范圍廣等特點,對農業生產的影響越來越大[2]。我國常年農作物因旱受災面積約為0.20億～0.27億hm2,每年損失糧食達250億～300億kg,占各種自然災害損失總量的60%以上[3]。農業旱災脆弱性是指農業生產系統易于遭受干旱威脅而造成損失的狀態[4],反映了一個地區農業生產系統對干旱的適應和應對能力,脆弱性程度越強,說明在降水和防災能力一定的情況下,越容易發生旱災、災害損失可能越嚴重。因此,進行區域農業旱災脆弱性的研究,對于預防旱災以及防災減災具有重要意義。

目前,關于農業旱災脆弱性的研究主要有兩個角度。一類是基于宏觀視角的區域農業旱災脆弱性評價:陳萍等[5]通過層次分析法和綜合指數法對鄱陽湖生態經濟區農業系統的旱災脆弱性進行了評價;王鶯等[6]運用主成分分析方法確定評價指標權重,建立中國南方地區的旱災脆弱性評價模型;李夢娜等[7]將灰色關聯聚類分析法和博弈論思想引入脆弱性評價,對關中5市的農業旱災脆弱性進行了分析。另一類是基于微觀視角的農戶或者農作物旱災脆弱性研究:Brant[8]以巴西東北部的小農戶為例,分析了影響家庭脆弱性的因素和對旱災的響應能力;Zarafshani等[9]通過與370位種植小麥的農民的交流,分析得到伊朗西部地區農戶的旱災脆弱性;嚴奉憲等[10]從農戶微觀角度出發,以Hoovering模型為基礎,對湖北省襄陽市曾都區的農戶調查數據進行了實證分析;王婷等[11]利用GIS空間分析功能,對四川省水稻干旱脆弱性進行了評價。在研究方法的選擇上,主要有綜合指數法、圖層疊置法、脆弱性函數模型評級法等,其中綜合指數法由于其簡單、容易操作,在脆弱性評價中被廣泛應用。該方法應用于以區域為單位的脆弱性評價中,往往從社會、經濟、環境等方面綜合衡量脆弱性,能夠兼顧承災系統的要素復雜性,適用性較強[12-13]。本文選擇河南、山東兩省作為研究區域,從敏感性和恢復力2個角度選取12個指標,建立評價指標體系,運用綜合指數法構建脆弱性模型,定量評價研究區域農業旱災脆弱性程度,以期為研究區干旱風險的主動防控工作提供數據與理論支持。

1 研究區概況與指標選擇

1.1 研究區概況

河南、山東省處于黃淮海地區的中心地帶,是我國重要的農業生產基地,據統計[14],兩省的糧食總產量約占全國的20%。黃淮海地區是中國主要的冬小麥和夏玉米種植區[15],年降水量400～600 mm,但受季風型氣候的影響,降水在地區上分布不均勻,季節間變化更是劇烈,7—8月的降水量約占全年的45%～65%,秋、冬、春三季均為水分虧缺的干旱期。在全球氣候變暖的背景下,未來中國氣候總體上呈現暖干狀態,半干旱地區的擴大趨勢明顯,黃淮海地區將經歷最干旱的時段[16-17]。作為黃淮海地區重要的糧食生產大省,河南、山東省的農業生產將受到巨大影響。因此,針對河南、山東省進行干旱脆弱性評價顯得尤為重要。

1.2 指標選擇

農業旱災脆弱性的影響因素眾多,主要可以分為敏感性和恢復力兩大類。敏感性主要反映自然環境、社會經濟對旱災的敏感程度,農業系統的敏感性越強,旱災脆弱性越大;恢復力主要反映人類社會防備、應對災害以及災害后恢復的能力,農業系統的恢復力越強,旱災脆弱性越弱。根據研究區域的實際情況,結合科學性、全面性和可操作等原則,從敏感性和恢復力兩個角度出發,選取了12個評價指標。

敏感性選擇水資源、產業結構以及土地利用3個方面的6個指標因子進行測度。水資源選取降水量和耕地畝均水資源占有量2個指標,降水量越大,農作物的水分補給越充足,旱災越不容易發生;耕地畝均水資源占有量反映了區域水資源的豐裕程度。產業結構選取農業GDP比重和農業人口比重2個指標,農業GDP比重反映了農業的產值在整個區域生產總值中的比例,該比例越高說明區域經濟對農業的依賴程度越大,同樣的旱災強度,對農業的相對影響越大;農業人口比例反映了區域的城鎮化水平,該比例越高,說明城鎮化水平越低,對農業的依賴程度越高,脆弱性程度越高。土地利用變化對農業旱災脆弱性有很大影響,其中耕地面積比重指標反映了區域農業生產系統面對干旱影響時的暴露程度,暴露程度越大越易孕育旱災;復種指數指一年內在同一塊耕地上種植農作物的平均次數,該指標數值越大說明用地強度越強,需水量越多,在致災強度和防災能力一定的情況下,更易發生旱災。

恢復力選取農業灌溉條件、經濟水平和農業投入3個方面6個指標因子進行測度。農業灌溉條件選取有效灌溉面積比重和單位面積農業用水量2個指標,指標值越大,說明農業的灌溉用水條件越好,旱災越不容易發生。經濟水平指標選擇人均財政收入和農村居民人均收入,指標值越大,說明社會發展水平和發展程度越高,應對農業旱災的能力越強。農業投入選取單位面積農膜使用量和單位面積農用機械總動力2個指標,指標值越大,說明農民對農業的投入和重視程度越高,對土壤健康有著非常重要的意義,因此越有利于災后的恢復。

根據指標性質可以將指標分為正向與負向兩類,正向指標與旱災脆弱性呈正相關關系,指標值越大,脆弱性程度就越大,負向指標的性質與正向指標相反,值越大,脆弱性程度就越小。12個指標及其性質見表1,指標權重計算過程見下文。

表1 農業旱災脆弱性評價指標設置

本文所用的數據來源主要有《河南省統計年鑒(2015)》《山東省統計年鑒(2015)》《河南省水資源公報(2005—2014年)》和《山東省水資源公報(2005—2014年)》以及部分地級市統計年鑒。由于降水量年際變化較大,本文采用10年平均值(2005—2014年),其他指標選用2014年的數據,缺失年份的數據用2013年份的代替。

2 農業旱災脆弱性評價模型

2.1 數據標準化處理

在對區域農業旱災脆弱性評價前,首先對數據進行去量綱標準化處理。正向指標與負向指標的處理方式不同，計算公式分別為

(1)

(2)

式中:Sij為經過處理的無量綱標準值;Xij為第i個城市的第j項評價指標;Xjmax和Xjmin分別為第j項評價指標的最大值和最小值。Sij越接近于0,說明其對農業旱災脆弱性的貢獻越小;越接近于1,貢獻越大。

2.2 熵值法確定指標權重

熵值法作為一種客觀賦權法,可避免主觀賦權的臆斷性,還可以克服多指標變量間信息的重疊問題。因此,本文采用熵值法得到各指標的權重(表1),熵值法計算步驟如下:

a. 將各指標同度量化,計算第j項指標下,第i城市占該指標的比重pij:

式中:n為樣本(城市)個數;m為指標個數。

b. 計算指標信息熵ej:

(4)

c. 計算差異系數dj:

dj=1-ej

(5)

d. 計算指標權重wj:

(6)

2.3 脆弱性評價模型

加權綜合評分法在多指標評價中應用比較廣泛,本文應用該方法構建農業旱災脆弱性評價模型,脆弱性程度用脆弱性指數來表示,具體評價模型為

(7)

式中:Vi為第i個城市的脆弱性指數;Sij為第i個城市第j項指標的標準化值。

為了更加清晰地探討區域農業旱災脆弱性的空間分布差異與結構特征,針對敏感性和恢復力兩個維度展開加權綜合評分,分別命名為敏感性指數與恢復力指數,其計算原理及步驟與脆弱性指數的一致,只是計算敏感性指數與恢復力指數的指標集與計算脆弱性指數的指標集不同。另外,由于計算恢復力指數的指標集在脆弱性評價中是負向指標,在計算該指數的過程中使用的是標準化值,因此該指數的值越高,反而說明恢復力越弱。

2.4 區域農業旱災脆弱性分級

對于干旱脆弱性分級問題,目前還沒有統一的標準,本文利用自然斷裂法對脆弱性程度進行分級[18],該方法是一種地圖分級算法,認為數據本身就有斷點,可利用數據這一特點分級(表2)。

表2 區域農業旱災脆弱性綜合測度分級標準

2.5 因子貢獻度計算模型

脆弱性評價不僅要對脆弱程度的空間格局進行分析,更要明確影響脆弱性的關鍵因素,以期為評價單元降低脆弱性程度提供科學的政策建議,因此,引入因子貢獻度模型用于分析負向目標(脆弱性)的主要貢獻因子[19-20]:

(8)

式中cij為第j項指標對第i個城市農業旱災脆弱性的貢獻度。

3 結果分析

3.1 區域農業旱災脆弱性等級差異分析

研究區域35個城市的脆弱性指數、敏感指數與恢復指數見表3。由表3可知,研究區域35個城市的農業旱災脆弱性指數平均值為0.532 0,按表2中脆弱性分級標準,處于中度脆弱狀態。山東省東營市農業旱災脆弱性指數最低,為0.271 6,其次是山東省淄博市,為0.297 3,脆弱性指數最高的為河南省周口市,為0.823 9,不同城市之間脆弱性指數差距明顯,最高得分是最低得分的3倍。根據農業旱災脆弱性指數,按照自然斷裂點法將脆弱性分為5個級別,每個級別的平均脆弱性指數從低到高依次為0.318 0、0.411 9、0.512 1、0.623 9和0.760 5,處于5級脆弱度的城市平均脆弱指數是處于1級脆弱度的城市平均脆弱指數的2.4倍,組別之間的差距也比較明顯。農業旱災脆弱性呈現一定的級差化分異特征。

對城市數量進行分級統計分析,發現處于中脆弱度和較強脆弱度的城市數量最多,分別占城市總數量的25.71%和28.57%,兩者總和占城市數量的54.28%。處于低脆弱度、較低脆弱度和強脆弱度的城市數量相當,分別為6個、5個和5個,分別占城市總數的17.14%、14.29%和14.29%。研究區域35個城市農業旱災脆弱性等級總體上呈現3級、4級多,1級、2級少的情況。

表3 河南、山東省各市農業旱災脆弱性指數對比

3.2 區域農業旱災脆弱性空間差異分析

圖1為研究區域農業旱災脆弱性空間分布示意圖。由圖1可以清楚地看到河南地區農業旱災脆弱程度明顯高于山東地區。河南省18個城市的農業旱災脆弱性指數平均值為0.618 6,按表2,其脆弱性等級屬于較強脆弱程度,具體來看,河南省處于強脆弱度和較強脆弱度的城市分別有5個和10個,共占河南省地市數量的83%,強脆弱度的5個城市集中在豫東以及豫南地區,豫北、豫西和豫中地區以較強脆弱度為主,屬于低和較低脆弱度的城市只有3個,按脆弱性指數從低到高分別是鄭州(0.374 0)、濟源(0.382 5)和焦作(0.435 7)。山東省屬于中度脆弱度的城市最多,有8個,占山東省城市數量的47%,在空間分布上,中北部地區以及東部半島地區脆弱性指數明顯低于山東省其他地區。另外,作為評價脆弱性程度的兩個重要變量,敏感性指數與恢復力指數整體上與脆弱性指數表現出比較好的一致性,河南地區敏感性指數和恢復力指數平均值均高于山東省,表明在面對相同強度的致災強度時,河南地區更易形成干旱災害,恢復力指數越高說明河南地區在干旱災害發生之后的恢復能力要弱于山東地區(表3、圖1)。

圖1 區域農業旱災脆弱性空間分布示意圖

3.3 區域農業旱災脆弱性影響因素識別

為了揭示敏感性與恢復力對區域農業旱災脆弱性的影響程度,運用相關分析方法對敏感性指數與旱災脆弱性指數以及恢復力指數與旱災脆弱性指數進行分析。結果表明:敏感性指數與旱災脆弱性指數之間具有顯著的相關關系,相關系數為0.866(在0.01檢驗水平上顯著);恢復力指數與農業旱災脆弱性指數呈現顯著的相關關系,相關系數為0.714(在0.01檢驗水平上顯著)。可見,敏感性與恢復力的強弱與區域農業旱災脆弱性程度有密切聯系,而且敏感性對脆弱性的作用比恢復力對脆弱性的作用略為突出。為了進一步厘清影響農業旱災脆弱性的影響因素,根據式(8)計算結果,確定貢獻度大于10%的指標作為各市農業旱災脆弱性的貢獻因子,結果如表4所示,按河南省、山東省以及全區域分別統計各貢獻因子出現的頻率(表5),出現頻率大于50%的貢獻因子視為各省和全區域農業旱災脆弱性的主要貢獻因子。

表5 各貢獻因子出現頻率 %

注:加下劃線的數值為主要貢獻因子的出現頻率。

由表5可知,河南省農業旱災脆弱性的主要貢獻因子有農業人口比重(X3,83.33%)、復種指數(X5,77.78%)和農村居民人均收入(X9,72.22%)。農業人口比重反映了人民生活對于農業的依賴程度,同時也反映了易損人群的數量,農村居民人均收入則反映了社會經濟的發展水平,尤其是農村經濟的發展水平,直接關系到農業旱災發生之后農民應對旱災的能力大小。因此未來河南省應注重結構調整和產業升級,繼續推進城鎮化建設,讓農業人口適當流向城市支持第三產業,降低經濟對農業的依賴程度,提高農村居民的收入。同時河南省作為農業大省,肩負著國家糧食安全的重任,農業的基礎要鞏固,要提升,必須要推進農業的規模化、產業化和集約化發展,提高農業現代化水平。另外河南省人口壓力較大,人口與資源間的矛盾比較突出,一定程度上影響了農村居民的人均收入水平,因此降低農業旱災脆弱程度需要適當控制人口的增長速度;而復種指數反映了土地的利用強度,所以為降低農業旱災脆弱性應適當減少農作物的播種面積,提高農作物的產出效率。

山東省農業旱災脆弱性的主要貢獻因子是有效灌溉面積比重(X7,58.82%)、單位耕地面積農業用水量(X8,52.94%)和人均財政收入(X10,58.82%)。有效灌溉面積比重和單位耕地面積農業用水量反映了農業的灌溉用水條件,灌溉條件對于抵御干旱災害的發生以及災害發生后的恢復有著重要的意義,因此為降低農業旱災脆弱程度應提高水利工程供水能力,保證耕地灌溉率,同時選擇適宜的節水灌溉方法,提高水分的利用率;干旱災害發生后,需要全社會尤其是政府組織抗旱,人均財政收入直接影響政府財政支出的有效運行,對于災后的恢復起到重要作用,山東省雖然GDP總量較大,位于全國前列,財政卻總是拮據,稅源并不充足,政府融資較困難[21],因此需要在提高GDP質量、培養稅源等方面不斷完善。

表4 各市農業旱災脆弱性的貢獻因子排序(按貢獻度遞減)

總體來說,區域農業旱災脆弱性主要受農業依賴程度、土地利用強度、灌溉條件和社會經濟水平4個方面的影響,河南省和山東省的側重點各不相同,而作為旱災形成的重要影響因子水資源狀況對于區域農業旱災脆弱性的影響程度有限。

4 結論與討論

從敏感性和恢復力2個維度出發建立區域農業干旱脆弱性評價體系,通過熵值法得到指標權重,用綜合指數法構建脆弱性評價模型,結合ArcGIS技術,對區域農業旱災脆弱性進行評價,通過貢獻度模型對主要影響因素進行了識別與分析。結果表明:研究區域內35個城市農業旱災脆弱性程度空間差異顯著,河南省83%的城市屬于強脆弱度和較強脆弱度,豫東以及豫南地區脆弱程度最高,豫北、豫西和豫中地區以較強脆弱度為主；山東省屬于中度脆弱度的城市最多,占山東省城市數量的47%;在空間分布上,中北部地區以及東部半島地區脆弱性指數明顯低于其他地區;總體而言,河南省脆弱性程度高于山東省。就影響因素而言,影響河南省農業旱災脆弱性程度的關鍵因素有農業人口比重、復種指數和農村居民人均收入,影響山東省農業旱災脆弱性程度的關鍵因子是有效灌溉面積比重、單位耕地面積農業用水量和人均財政收入。總體來說,研究區域農業旱災脆弱性主要受農業依賴程度、土地利用強度、灌溉條件和社會經濟水平4個方面的影響。

本文基于區域綜合脆弱性評價模型,定量計算了研究區域各市農業旱災脆弱性程度,并就其空間差異與影響因素進行了分析與探討,對于區域防災減災、科學應對干旱災害有一定的參考價值。但是本文在脆弱性指標選取時因受到數據收集的限制,多考慮人為因素,而較少考慮自然因素,比如土壤類型、地貌地形等條件對于干旱災害的形成以及災后的恢復都有一定影響,指標體系的構建還需進一步的深化;其次以市級行政單元作為研究單元略顯粗糙,大尺度范圍內過于宏觀的評價缺乏深層次機制和原理的探究,對于反映區域內部的差異性可能有所欠缺。以上問題需要在今后的研究中繼續探索。

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